这篇文档属于类型a，即报告了一项原始研究。以下是对该研究的学术报告：

主要作者及机构

本研究的主要作者包括Md Habib Ullah Khan、Md Mohaiminul Islam、Kaiyue Deng、Ismail Mujtaba Khan、Ling Liu和Kelvin Fu。他们分别来自美国特拉华大学机械工程系和复合材料中心，以及美国天普大学机械工程系。该研究发表于期刊Composites Part A，并于2025年1月31日在线发布。

学术背景

该研究的主要科学领域是复合材料制造，特别是连续纤维增强复合材料的三维（3D）架构制造。传统复合材料制造方法（如树脂传递模塑和手工铺层）在设计复杂几何形状和优化纤维取向方面存在局限性，导致其在多轴载荷场景下的结构性能不均匀。此外，这些方法需要大量工具和劳动密集型操作，限制了设计自由度和增加了生产成本。为了解决这些问题，本研究提出了一种创新的制造技术——增材纤维锚定（Additive Fiber Tethering, AFT），旨在通过增材制造技术生产拓扑优化的连续纤维复合材料结构，特别是针对航空航天、汽车和能源领域的高性能应用。

研究流程

研究流程包括以下几个主要步骤：

1. 材料准备：研究中使用了Hexcel提供的50k HS-CP-4000连续碳纤维，以及基于双酚A二缩水甘油醚（DGEBA）的环氧树脂和甲基四氢邻苯二甲酸酐（MTHPA）固化剂。树脂和固化剂按5:1的重量比混合，以确保均匀固化和机械性能。

2. 复合材料制造：研究采用了一种自动化机器人系统，通过3D打印的ABS支架结构来引导和固定连续碳纤维。机器人系统按照预先编程的路径，将浸渍了环氧树脂的纤维沉积在支架的锚点上。最终，通过固化过程完成复合材料的制造。

3. 机械测试：为了评估AFT制造的复合材料的机械性能，研究进行了拉伸、压缩和弯曲强度测试。测试设备为Instron 5567，测试标准分别为ASTM D3039、ASTM D6641和ASTM D790。测试结果表明，AFT制造的复合材料在多个维度上表现出优异的强度和刚度。

4. 形态表征：通过微CT分析，研究评估了纤维排列和纤维体积分数（FVF）。扫描设备为Skyscan 1172微CT扫描仪，扫描分辨率为2.98 µm。结果显示，AFT制造的复合材料具有较高的纤维对齐度和较低的孔隙率，孔隙率为1.39%，纤维体积分数为31.2%。

5. 拓扑优化：研究通过有限元分析（FEA）和差分进化（DE）算法对B柱结构进行了拓扑优化，以实现最高的比能量吸收（SEA）。优化后的B柱结构在保持结构完整性的同时，实现了60%的减重。

主要结果

1. 复合材料制造：AFT技术成功制造了具有复杂几何形状的连续纤维增强复合材料结构，特别是B柱结构。该结构通过空间分布的锚点引导纤维，实现了多方向的纤维排列，克服了传统3D打印方法在层间粘合方面的限制。

2. 机械性能：AFT制造的B柱在三点弯曲测试中表现出优异的弯曲性能，最大载荷为12033.8 N，比能量吸收为391.3 J/kg。在静态压缩测试中，B柱的最大压缩阻力为95.2 kN，比能量吸收为10213.43 J/kg，显著高于传统不锈钢B柱的性能。

3. 拓扑优化：通过差分进化算法优化后的B柱结构在保持结构完整性的同时，实现了60%的减重，比能量吸收达到800 J/kg，显著提高了其在碰撞安全应用中的性能。

结论

本研究提出的AFT技术为制造拓扑优化的连续纤维增强复合材料提供了一种创新方法。通过精确的纤维排列和多方向的纤维部署，AFT技术能够制造出具有优异机械性能和轻量化设计的复杂结构。该技术在航空航天、汽车和能源领域具有广泛的应用前景，特别是在需要高强度和轻量化的结构部件中。

研究亮点

1. 创新制造技术：AFT技术通过增材制造和纤维锚定相结合，实现了复杂几何形状的连续纤维增强复合材料制造。
2. 优异的机械性能：AFT制造的复合材料在弯曲和压缩测试中表现出显著的高强度和比能量吸收。
3. 拓扑优化：通过差分进化算法对B柱结构进行优化，实现了60%的减重，同时保持了结构完整性。

其他有价值的内容

研究还展示了AFT技术在制造自行车车架等其他复杂结构中的应用，进一步证明了该技术的多功能性和可扩展性。此外，研究通过微CT分析和有限元模拟，验证了AFT制造的复合材料的内部结构和机械性能，为该技术的工业化应用提供了理论支持。